先猜一猜:船头正对河对岸,实际航迹也会正对河岸吗?如果想最快到达,船头又该朝哪里?
河岸参考系中的实际航迹
船相对水
水相对岸
船相对岸
水流向右为下游;虚线连接出发点与正对岸点,紫线为船相对岸的航迹。
- 船相对岸横向分量
- +2.00 m/s
- 船相对岸过河分量
- 4.00 m/s
- 渡河时间
- 30.0 s
- 下游漂移量
- +60.0 m
当前是预览状态。紫色轨迹表示船相对岸的运动方向。
别急着加数字,先给速度写“身份证”
水流把船整体带向下游,同时船相对水又朝船头方向前进。站在岸上的观察者看到的速度,是这两个速度的矢量和:
v船/岸 = v船/水 + v水/岸
vx = v水/岸 − v船/水 sin α
vy = v船/水 cos α
vx = v水/岸 − v船/水 sin α
vy = v船/水 cos α
这里规定下游为横向正方向,α 朝上游为正。渡河时间只由过河分量决定:t = 河宽 ÷ vy;漂移量则是 Δx = vxt。
三个方案,两个容易混的结论
最短时间:让 vy 最大。因为 cos α 在 α = 0° 时最大,所以船头正对河岸法线。这并不保证落点在正对岸。
抵消漂移:要让 vx = 0,需 sin α = v水/岸 / v船/水。只有船相对水的速率大于水相对岸的速率时,才存在能稳定过河的抵消方案。
模型边界:这里只讨论各参考系之间作恒定相对平移、速度远低于光速的经典情形;不涉及加速参考系,也不进入狭义相对论。